智能機(jī)器人第2課讓機(jī)器人擁有智能

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1、智能機(jī)器人第2課——讓機(jī)器人擁有智能 教學(xué)設(shè)計(jì) 大連沙河口區(qū)中學(xué)生勞動(dòng)技術(shù)中心 耿殿君 智能機(jī)器人 一、學(xué)情分析 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人這一信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域也得到了飛速的發(fā)展，有專家預(yù)言，從信息產(chǎn)業(yè)的角度看，本世紀(jì)第一個(gè)十年將是智能機(jī)器人時(shí)代。教育今天的超前發(fā)展是為以后的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展打基礎(chǔ)的。為了使現(xiàn)在的學(xué)生能夠適應(yīng)未來(lái)信息時(shí)代的要求，在教學(xué)中及時(shí)地增加有關(guān)智能機(jī)器人知識(shí)的內(nèi)容是有必要的。為此，中心特設(shè)置了智能機(jī)器人課，使學(xué)生能夠親身體驗(yàn)前沿科技的風(fēng)采，揭開(kāi)機(jī)器人的神秘的面紗。有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)科學(xué)愛(ài)科學(xué)的熱情。 本節(jié)課為智能機(jī)器人課第2課，教學(xué)對(duì)象為學(xué)習(xí)過(guò)第1課—

2、—機(jī)器人搭建，掌握了樂(lè)高機(jī)器人的基本搭建技巧，了解常見(jiàn)傳感器的種類、功能、原理，能夠運(yùn)用機(jī)器人自帶的微電腦實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的機(jī)器人控制的初三學(xué)生。 二、教學(xué)任務(wù) 本節(jié)課的任務(wù)是讓學(xué)生懂得如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的人工智能。以學(xué)生為主體，讓他們親自的參與、切身的體會(huì)，學(xué)習(xí)掌握基本的編程的思路及調(diào)試的方法并能根據(jù)具體情況加以應(yīng)用。 三、教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能 通過(guò)互動(dòng)操作讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中，領(lǐng)悟知識(shí)，掌握技能： （1）重點(diǎn)掌握樂(lè)高機(jī)器人編程軟件ROBOLAB2.9系統(tǒng)中導(dǎo)航者級(jí)別圖形化編程技巧。 （2） 理解程序設(shè)計(jì)思路，掌握程序基本結(jié)構(gòu)中的判斷和循環(huán)。 （3） 學(xué)會(huì)結(jié)合環(huán)境對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。

3、2、過(guò)程與方法 通過(guò)在編程實(shí)現(xiàn)人工智能的設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中，創(chuàng)設(shè)情景，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生在做中學(xué)，學(xué)中做。經(jīng)歷思維、實(shí)踐過(guò)程，讓學(xué)生在實(shí)踐中提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力和動(dòng)手操作能力。 3、情感 態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)多種形式的教學(xué)活動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)智能機(jī)器人課的興趣。體會(huì)團(tuán)隊(duì)合作的精神和使用技術(shù)的責(zé)任感、使命感。體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的求知欲和探究科學(xué)的勇氣。培養(yǎng)勇于實(shí)踐、勇于思考、勇于創(chuàng)新的精神和素質(zhì)。 四、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 1、重點(diǎn)： （1）樂(lè)高機(jī)器人編程軟件ROBOLAB2.9系統(tǒng)中導(dǎo)航者級(jí)別的圖形化編程方法。 （2）學(xué)生在合作學(xué)

4、習(xí)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)，共同分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。 2、難點(diǎn)： 程序的調(diào)試 五、課前準(zhǔn)備 1、授課時(shí)間： 結(jié)合本課的實(shí)際目標(biāo)，設(shè)計(jì)授課時(shí)間90分鐘 2、活動(dòng)人數(shù)： 考慮到學(xué)生對(duì)編程的認(rèn)識(shí)理解速度和程度有所不同，及教師進(jìn)行引導(dǎo)和答疑解惑的工作量，人數(shù)設(shè)定為24人，每4人一組共計(jì)6組。 3、器材準(zhǔn)備： 安裝有樂(lè)高ROBOLAB2.9編程軟件的電腦6臺(tái)，樂(lè)高9797藍(lán)牙機(jī)器人套裝6套（其中機(jī)器人通用底盤(pán)已經(jīng)安裝完畢，節(jié)省安裝的時(shí)間，使學(xué)生只需集中精力進(jìn)行傳感器安裝），機(jī)器人工作臺(tái)6張，走軌跡場(chǎng)地1個(gè)，大屏幕投影設(shè)備一套。 4、學(xué)生的準(zhǔn)備工作： 請(qǐng)學(xué)生在課前搜集整理一些智能機(jī)器人的資

5、料并做成演示用幻燈片。 六、教學(xué)策略 教法： 演示法、練習(xí)法，任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，教師主要做的是引導(dǎo)和答疑解惑的工作。 學(xué)法： 學(xué)練結(jié)合法、合作探究法，學(xué)生需要在大量的實(shí)踐操作和合作研究中完成各項(xiàng)任務(wù)。 七、教學(xué)流程（共75分鐘） 1、課程導(dǎo)入：（共8分鐘） （1）學(xué)生幻燈片展示（4分鐘） 根據(jù)幻燈片進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹（種類多為愛(ài)寶機(jī)器狗、ASIMO和QRIO等非拼裝機(jī)器人。動(dòng)作多為跳舞、踢球、投籃和模擬機(jī)械等特定功能）。 （2）引入（4分鐘） 幻燈片中展示的機(jī)器人都是比較具有代表性的，但是它們具有的功能用我們手中的機(jī)器人都能實(shí)現(xiàn)，只要同學(xué)們?cè)敢馊ハ胂笕ニ伎?，甚至可以?shí)現(xiàn)更多更好的效果

6、。 拿出教師做的線控機(jī)器人，為學(xué)生展示線控機(jī)器人踢球、繞柱。（生：老師，你那是線控玩具，人家的那個(gè)不用拿手操控。） 換程序，機(jī)器人開(kāi)始自動(dòng)到處追球跑。 換程序，機(jī)器人在走軌跡場(chǎng)地順黑線跑，在學(xué)生驚訝和新奇的眼光下，機(jī)器人大搖大擺的順線走到場(chǎng)地邊沿（眾學(xué)生：走到頭了啊，停?。?，然后翻了下去（眾學(xué)生：......） 學(xué)生都說(shuō)這個(gè)機(jī)器人太笨了。的確，它不太聰明，但我沒(méi)控制它也按照我們期待的方式順著黑線跑起來(lái)了。也就是說(shuō)機(jī)器人至少有走線的智能，雖然最后跳崖了。那么，機(jī)器人的智能是從哪里來(lái)的？（生：電腦，編程......）人通過(guò)電腦編程使機(jī)器人能在無(wú)人控制狀態(tài)下運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)虛擬的智能，這種智能稱之

7、為人工智能。想讓機(jī)器人變得更聰明，就要通過(guò)編程為機(jī)器人提供人工智能。今天我們就要來(lái)學(xué)習(xí)機(jī)器人的編程，讓機(jī)器人擁有智能。 2、授課內(nèi)容：（共67分鐘） （1）軟件介紹（10分鐘） 教法：演示法、練習(xí)法 學(xué)法：學(xué)練結(jié)合法 教學(xué)意圖： 通過(guò)演示結(jié)合練習(xí)，讓學(xué)生初步掌握軟件的使用方法。 教學(xué)重點(diǎn)： 1、軟件的基本操作（圖1、圖2、圖3）。 2、程序的基本元素：運(yùn)動(dòng)與判斷（圖4）。 教學(xué)過(guò)程： 通過(guò)大屏幕投影為學(xué)生介紹樂(lè)高ROBOLAB2.9編程軟件的界面及如何進(jìn)入導(dǎo)航者級(jí)別3， 對(duì)軟件中的各種圖標(biāo)及判斷符號(hào)進(jìn)行介紹。 圖2 判斷及延時(shí)單元 圖1 軟件主界面 圖3

8、 馬達(dá)單元 圖5 重 圖4 運(yùn)動(dòng)與判斷 圖5 重點(diǎn)講解程序運(yùn)行的基本元素：運(yùn)動(dòng)與判斷，機(jī)器人的動(dòng)作依據(jù)程序中的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人的智能靠程序中的判斷設(shè)定實(shí)現(xiàn)。圖5程序的效果為馬達(dá)A與C以3檔速度正轉(zhuǎn)（既向前直行），當(dāng)1號(hào)接口的NXT觸碰被按下后，變成馬達(dá)A與C以3檔速度反轉(zhuǎn)（既向后直行），4秒鐘后機(jī)器人停。 圖5 教師活動(dòng)： 利用大屏幕投影分段進(jìn)行講解演示，中間穿插學(xué)生練習(xí)，最后進(jìn)行一次完整過(guò)程演示。 學(xué)生活動(dòng)： 聽(tīng)講，觀看演示，每階段按要求進(jìn)行操作練習(xí)。 （2）任務(wù)一：回到原點(diǎn)（15分鐘） 教法：任務(wù)驅(qū)動(dòng)法 學(xué)法：合作探究法 教學(xué)意圖： 通過(guò)練

9、習(xí)，讓學(xué)生熟練樂(lè)高ROBOLAB2.9編程軟件導(dǎo)航者級(jí)別3的使用方法。 教學(xué)重點(diǎn)： 糾正軟件操作中出現(xiàn)的問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)判斷符號(hào)的正確選擇。 任務(wù)要求： 機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，最終回到起點(diǎn)附近停止，運(yùn)行方式和傳感器的使用隨意，至少用兩種方法實(shí)現(xiàn)（直線、弧線的延時(shí)應(yīng)用或用傳感器進(jìn)行判斷）。 教師活動(dòng)： 巡回指導(dǎo)和啟發(fā)。 學(xué)生活動(dòng)： 以組為單位研究探討，實(shí)踐操作。 學(xué)生易出現(xiàn)的問(wèn)題： ① 現(xiàn)象：雙馬達(dá)中只有一個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)或都不轉(zhuǎn)動(dòng)。 原因：馬達(dá)線接錯(cuò)。 ②現(xiàn)象：雙馬達(dá)同速卻不走直線。 原因：輪胎的外胎與內(nèi)圈咬合不到位，導(dǎo)致一側(cè)輪發(fā)漂。 ③現(xiàn)象：機(jī)器人拐彎超快。 原因：程序中馬達(dá)方

10、向有錯(cuò)誤。 ④現(xiàn)象：機(jī)器人返回時(shí)跑過(guò)料或跑不到位。 原因：馬達(dá)延遲時(shí)間設(shè)置有錯(cuò)誤。 ⑤現(xiàn)象：有的機(jī)器人回歸過(guò)程中是靠觸碰停止，但碰后無(wú)反應(yīng)。 原因：沒(méi)有在編程環(huán)境中為傳感器添加接口數(shù)字，導(dǎo)致傳感器無(wú)效化。 （3）任務(wù)二：懸崖勒馬（10分鐘） 教法：任務(wù)驅(qū)動(dòng)法 學(xué)法：合作探究法 教學(xué)意圖： 通過(guò)一題多解的方法熟練程序設(shè)計(jì)。 圖6 懸崖勒馬 教學(xué)重點(diǎn)： 程序設(shè)計(jì)的思路。 設(shè)計(jì)要求： 不需要機(jī)器人順線走，只要能運(yùn)行到桌子邊沿時(shí)自動(dòng)后退就可，傳感器的選擇和安裝以及機(jī)器人后退方式各組討論決定。拔高要求：機(jī)器人在電腦桌上實(shí)現(xiàn)前后雙向懸崖勒馬效果。 教師活動(dòng)： 巡回指

11、導(dǎo)，總結(jié)操作中的問(wèn)題，表?yè)P(yáng)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)并當(dāng)場(chǎng)演示。 學(xué)生活動(dòng)： 學(xué)生以組為單位研究探討，實(shí)踐操作。 注意：機(jī)器人運(yùn)行方向的桌子前端必須有學(xué)生準(zhǔn)備接住機(jī)器人以防掉落損壞。 學(xué)生易出現(xiàn)的問(wèn)題： ①現(xiàn)象：使用超聲測(cè)距檢測(cè)地面沒(méi)有反應(yīng)。 原因：ROBOLAB2.9導(dǎo)航者級(jí)別3不支持超聲測(cè)距。 ②現(xiàn)象：機(jī)器人后退時(shí)車輪已經(jīng)劃到桌外退不回來(lái)。 原因：傳感器離車體太近，導(dǎo)致檢測(cè)不及時(shí)。應(yīng)適當(dāng)增加傳感器與車體的距離。 ③現(xiàn)象：機(jī)器人側(cè)向接近懸崖并滑落。 原因：側(cè)向接近桌邊時(shí)傳感器位置無(wú)法保證盡快地檢測(cè)到懸崖，增加傳感器與車體距離或保持機(jī)器人直線運(yùn)行。 （4）介紹導(dǎo)航者級(jí)別4及調(diào)試（7

12、分鐘） 教法：演示法、練習(xí)法 學(xué)法：學(xué)練結(jié)合法 教學(xué)意圖： 通過(guò)演示結(jié)合練習(xí)，讓學(xué)生理解級(jí)別4與3的不同之處（圖7）。 教學(xué)重點(diǎn)： 程序調(diào)試。 教學(xué)過(guò)程： 介紹導(dǎo)航者級(jí)別4與級(jí)別3的最根本區(qū)別：多步編程。 圖8 圖7 級(jí)別4與3的區(qū)別 編程實(shí)現(xiàn)圖8繞柱功能，分析物理過(guò)程共分3步：前進(jìn)——轉(zhuǎn)彎180o——前進(jìn)。編程流程如圖9 圖9 此外，在導(dǎo)航者級(jí)別4中可設(shè)定無(wú)限循環(huán)或定次循環(huán)實(shí)現(xiàn)功能，方便進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)和判斷。 調(diào)試是機(jī)器人設(shè)計(jì)中非常重要的步驟，它能確保機(jī)器人在不同的環(huán)境條件下都能順利的完成任務(wù)。機(jī)器人設(shè)計(jì)的再好，沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試以適應(yīng)環(huán)境，也無(wú)法

13、正常工作。調(diào)試的對(duì)象一般是傳感器和馬達(dá)。 演示踢足球機(jī)器人，球更換為發(fā)射紅外光的競(jìng)賽用球，在拉上遮光窗簾的情況下機(jī)器人靠光電傳感器檢測(cè)亮度從而發(fā)現(xiàn)球的存在并去追球。打開(kāi)窗簾，機(jī)器人對(duì)球視而不見(jiàn)直奔陽(yáng)光方向前進(jìn)（在球離機(jī)器人較遠(yuǎn)的時(shí)候陽(yáng)光的紅外值大于球發(fā)光的紅外值，程序設(shè)計(jì)為尋找高于一定光值的方向。陰天可用手電筒照射光電傳感器代替該效果，機(jī)器人會(huì)跟隨手電燈光移動(dòng)）。 通過(guò)演示可以看出環(huán)境對(duì)機(jī)器人影響很大。 用微電腦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試光值：球正常為40—100（隨距離減小光值增大），陽(yáng)光下場(chǎng)地中間光值為65—90（隨太陽(yáng)角度有變化），拉上窗簾情況下場(chǎng)地光值為5—10。 在拉上窗簾的情況下，機(jī)器人去找

14、球，光值應(yīng)該設(shè)定在什么范圍內(nèi)？（生：40-100，10-100，20-100......）大家說(shuō)的都是可行的方案，通常我們確定范圍可以用（可選范圍的最大值+最小值）/2這個(gè)公式來(lái)取值，即（40+10）/2=25，所以找球的光值可設(shè)定為25—100即≥25，這樣上下都留有相當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)范圍以適應(yīng)環(huán)境的細(xì)微變化。對(duì)光電傳感器調(diào)試結(jié)束。不論是傳感器或是馬達(dá)的調(diào)試都要選擇不同位置多次檢測(cè)和分析才能成功。 教師活動(dòng)： 利用大屏幕投影進(jìn)行講解，在足球場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)試演示并提問(wèn)和講解。 學(xué)生活動(dòng)： 聽(tīng)講，觀看演示，思考、回答教師提問(wèn)。 （5）任務(wù)三：沿線行走（25分鐘） 教法：任務(wù)驅(qū)動(dòng)法 學(xué)法：合

15、作探究法 教學(xué)意圖： 用設(shè)置任務(wù)的方式讓學(xué)生思考解決方案并熟練導(dǎo)航者級(jí)別4的使用和掌握調(diào)試的技巧。 教學(xué)重點(diǎn)： 編程思路和程序調(diào)試。 任務(wù)要求： 利用光電傳感器，在打開(kāi)窗簾的環(huán)境條件下，機(jī)器人能夠沿場(chǎng)地黑線運(yùn)行。 教師活動(dòng)： 巡回觀看，不做啟發(fā)指導(dǎo)（保證競(jìng)賽公平）。 學(xué)生活動(dòng)： 以組為單位研究探討，實(shí)踐操作。 圖10 注意：教師應(yīng)在5分鐘后視學(xué)生研究情況決定是否將機(jī)器人走線原理圖展示出來(lái)但不作說(shuō)明。學(xué)生操作時(shí)間20分鐘，之后進(jìn)行走線競(jìng)賽5分鐘。 學(xué)生易出現(xiàn)的問(wèn)題： ①現(xiàn)象：在有陰影遮擋的黑線位置，機(jī)器人無(wú)視線直接往陰影沖。 原因：光線及陰影都會(huì)對(duì)該段場(chǎng)地的光值造成

16、影響，學(xué)生沒(méi)有針對(duì)全程的場(chǎng)地光值進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)測(cè)試，無(wú)陰影場(chǎng)地光值≥65，而有陰影場(chǎng)地光值45—60，黑線光值25—35，故根據(jù)公式（可選范圍的最大值+最小值）/2計(jì)算應(yīng)為（45+35）/2=40。而很多同學(xué)忽略了陰影地區(qū)的光值測(cè)量，計(jì)算結(jié)果為（65+35）/2=50，恰好在陰影光值范圍內(nèi)，故機(jī)器人視較深的陰影為黑線而無(wú)視真正的黑線。 ②現(xiàn)象：軌跡線彎度過(guò)大時(shí)機(jī)器人脫軌。 原因：兩輪速度差不夠，拐急彎時(shí)不宜兩輪同向，應(yīng)單輪拐彎或兩輪差速返向。經(jīng)測(cè)試，兩輪速度差應(yīng)在3檔以上。 ③現(xiàn)象：機(jī)器人能順線走但極緩慢，前進(jìn)三步后退兩步，1分鐘無(wú)法跑完全程。 原因：兩輪轉(zhuǎn)向一正一反，但反轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速過(guò)大，

17、接近正向輪速度導(dǎo)致進(jìn)程緩慢，經(jīng)測(cè)試，若使用反轉(zhuǎn)輪，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速只能為1檔。 八、教學(xué)評(píng)價(jià)（共15分鐘） 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)： 場(chǎng)地線分成5段，每走完1段得該段分。脫離線或脫離后反向沿線行駛算比賽結(jié)束。對(duì)運(yùn)行進(jìn)行計(jì)時(shí)，比賽時(shí)間上限1分鐘，同分的機(jī)器人按用時(shí)由少到多排序（要求機(jī)器人在沿線跑的情況下還要盡可能提升速度）。 1、競(jìng)賽結(jié)束，排出名次，學(xué)生自評(píng)，教師點(diǎn)評(píng)，并讓其中較薄弱的一組同學(xué)重新進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和修改程序（教師從旁提示），使機(jī)器人最終能沿線跑完全程（再次強(qiáng)調(diào)調(diào)試的重要性）。 2、請(qǐng)學(xué)生談?wù)勥@節(jié)課的收獲和體會(huì)（編程軟件，實(shí)際應(yīng)用，學(xué)會(huì)調(diào)試、團(tuán)結(jié)協(xié)作、分析及解決問(wèn)題的思路等）。 3、提問(wèn)通過(guò)這節(jié)

18、課的學(xué)習(xí)能否將懸崖勒馬和沿線跑兩個(gè)效果結(jié)合？為什么？ 學(xué)生意見(jiàn)：不能，因?yàn)樵趯?dǎo)航者級(jí)別中，機(jī)器人完成任務(wù)是按次序進(jìn)行，而要結(jié)合兩個(gè)任務(wù)必須是機(jī)器人在順線跑的過(guò)程中隨時(shí)可以檢測(cè)是否到懸崖邊上了，需要任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。 教師：下堂課，將對(duì)機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)做更深入的學(xué)習(xí)，包括解決任務(wù)同時(shí)進(jìn)行的問(wèn)題，機(jī)器人將擁有更完善更豐富的功能（演示走線+懸崖勒馬組合功能機(jī)器人）。 4、讓學(xué)生談?wù)勏鹿?jié)課想讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)何種功能（學(xué)生的設(shè)想多為帶有對(duì)抗性的競(jìng)技類活動(dòng)如踢球、投籃、格斗等，也有諸如變形、遙控、對(duì)話之類的高難度內(nèi)容）。 5、課后思考：要實(shí)現(xiàn)同學(xué)們提到的想要在下節(jié)課的讓機(jī)器人完成的任務(wù)，需要安裝哪些設(shè)備，需要完成哪些功能，其中哪些需同時(shí)完成，哪些需順序完成，要做哪些調(diào)試？